Lebedeva-l

173.Определите эквивалентную и атомную массы металла(II), если при реакции металла массой 0,53 г с HCl получен H2 объемом 520 см3 при 16 °С и давлении 748 мм рт. ст. Давление насыщенного водяного пара при данной температуре равно 13,5 мм рт. ст.

174.Металл(II) массой 0,604 г вытеснил из кислоты водород объемом 581 см3, измеренный при 18 °С и давлении 105,6 кПа и собранный над водой. Давление насыщенного пара воды при данной температуре равно 2,1 кПа. Рассчитайте атомную массу металла.

175.В газометре над водой находится О2 объемом 7,4 дм3 при 296 К и давлении 104,1 кПа (781 мм рт. ст.). Давление насыщенного водяного пара при этой температуре равно 2,8 кПа (21 мм рт. ст.). Какой объем (н.у.) займет находящий в газометре кислород?

2. СТРОЕНИЕ АТОМА И ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА Д.И. МЕНДЕЛЕЕВА

2.1. ЭЛЕКТРОННАЯ ОБОЛОЧКА АТОМА

Движение электрона в атоме носит вероятностный характер. Околоядерное пространство, в котором с наибольшей вероятностью (0,90 – 0,95) может находиться электрон, называется атомной орбиталью (АО).

Атомная орбиталь, как любая геометрическая фигура, характеризуется четырьмя параметрами (координатами), получившими название квантовых чисел (n, l, ml , ms ). Квантовые числа принимают не любые, а определенные, дис-

кретные (прерывные) значения. Соседние значения квантовых чисел различаются на единицу. Квантовые числа определяют размеры (n), форму (l), ориентацию ( ml ) атомной орбитали в пространстве. Атомные орбитали, кото-

рым отвечают значения l равные 0, 1, 2, 3, называются соответственно s-, p-, d- и f-орбиталями. В электроннографических формулах атомов каждая атомная орбиталь обозначается квадратом ( ). Занимая ту или иную атомную орбиталь, электрон образует электронное облако, которое у электронов одного и того же атома может иметь различную форму. Электронное облако характеризуется четырьмя квантовыми числами (n, l, ml , ms ). Эти кванто-

вые числа связаны с физическими свойствами электрона: число n (главное квантовое число) характеризует энергетический (квантовый) уровень электрона; число l (орбитальное) – момент количества движения (энергетический подуровень); число ml (магнитное) – магнитный момент; ms – спин. Спин возникает за счет вращения электрона

вокруг собственной оси.

Согласно принципу Паули: в атоме не может быть двух электронов, характеризующихся одинаковым набором четырех квантовых чисел. Поэтому в атомной орбитали могут находиться не более двух электронов,

отличающихся своими спинами (ms = ± 1/2). В табл. 1 приведены значения и обозначения квантовых чисел, а также число электронов на соответствующем энергетическом уровне и подуровне.

Устойчивому (невозбужденному) состоянию многоэлектронного атома отвечает такое распределение электронов по атомным орбиталям, при котором энергия атома минимальна. Поэтому они заполняются в порядке последовательного возрастания их энергий. Этот порядок заполнения определяется правилом Клечковского (правило n + l ):

–заполнение электронных подуровней с увеличением порядкового номера атома элемента происходит от меньшего значения (n + l ) к большему значению (n + l );

–при равных значениях (n + l ) заполняются сначала энергетические подуровни с меньшим значени-

ем n.

Последовательность заполнения энергетических уровней и подуровней следующая:

1s → 2s →2p → 3s →3p → 4s → 3d → 4p →5s → 4d → 5p →

→ 6s → (5d1) → 4f → 5d → 6p → 7s → (6d1) → 5f → 6d → 7p.

Электронная структура атома может быть изображена также в виде схем размещения электронов в квантовых (энергетических) ячейках, которые являются схематическим изображением атомных орбиталей. Размещение электронов по атомным орбиталям в пределах одного энергетического уровня определяется правилом Хун-

да (Гунда): электроны в пределах энергетического подуровня располагаются сначала по одному, а затем

если электронов больше чем орбиталей, то они заполняются уже двумя электронами или чтобы суммарный спин был максимальным.

П р и м е р 31. Составьте электронные и электронно-графические формулы атомов элементов с порядковыми номерами 16 и 22.

Решение. Так как число электронов в атоме того или иного элемента равно его порядковому номеру в таблице Д.И. Менделеева, то для серы – Z = 16, титана – Z = 22. Электронные формулы имеют вид:

16S 1s22s22p63s23p4; 22Ti 1s22s22p63s23p64s23d2.

Электронно-графические формулы этих атомов:

s

П р и м е р 32. Какой энергетический подуровень будет заполняться раньше 3d или 4s?

Решение. В соответствии с принципом наименьшей энергии (правило Клечковского) энергетическому подуровню 3d соответствует сумма n + l = 3 + 2 = 5, а подуровню 4s соответствует сумма 4 + 0 = 4. Следовательно, сначала заполнится подуровень 4s, а затем 3d.

Пр и м е р 33. Составьте электронную и электронно-графическую формулы атома кремния в нормальном

ивозбужденном состояниях.

Решение. Для Si число электронов равно 14, электронная формула имеет вид: 1s22s22p63s23p2. Электронно-графическая формула атома кремния:

При затрате некоторой энергии (hν) один из 3s-электронов атома кремния может быть переведен на вакантную 3р-орбиталь; при этом энергия атома возрастает, так как возникающая электронная конфигурация (1s22s22p63s13p3) соответствует возбужденному состоянию атома кремния (Si* ):

П р и м е р 34. На каком основании хлор и марганец помещают в одной группе периодической системы элементов Д.И. Менделеева? Почему их помещают в разных подгруппах?

Решение. Так как число электронов в атоме элемента равно его порядковому номеру в таблице Д.И. Менделеева, то для хлора – Z = 17, марганца – Z = 25. Электронные формулы имеют вид:

17Сl 1s22s22p63s23p5;

25Mn 1s22s22p63s23p64s23d5.

Электронно-графические формулы этих атомов:

17Cl

Валентные электроны хлора – 3s23p5, а марганца – 4s23d5. Таким образом, эти элементы не являются электронными аналогами и не должны размещаться в одной и той же подгруппе. Но на валентных орбиталях атомов этих элементов находится одинаковое число электронов – 7. Поэтому оба элемента помещают в одну и ту же группу периодической системы Д.И. Менделеева.

За д а ч и

176.Чему равно число энергетических подуровней для данного энергетического уровня? Каким значением главного квантового числа характеризуется энергетический уровень, если он имеет четыре подуровня? Дайте их буквенное обозначение.

177.Какой элемент имеет в атоме три электрона, для каждого из которых n = 3 и l = 1? Чему равно для них значение магнитного квантового числа? Должны ли они иметь антипараллельные спины?

178.Укажите значения квантовых чисел n и l для внешних электронов в атомах элементов с порядковыми номерами 12, 13, 23.

179.Напишите электронные и электронно-графические формулы атомов с порядковыми номерами 18, 63.

Ккакому электронному семейству они относятся?

180.Объясните, пользуясь правилом Клечковского, какие атомные орбитали заполняются раньше:

а) 3d или 4р;

б) 4f или 5p; в) 5p или 6s; г) 4d или 4f.

181.Напишите электронные и электронно-графические формулы атомов с порядковыми номерами 27, 83. Сколько свободных f-орбиталей в атомах этих элементов?

182.Какие из приведенных электронных формул неверны и объясните причину:

183.Какие значения могут принимать квантовые числа n, l, ml и ms, характеризующие состояние электронов в атоме алюминия?

184.Какое максимальное число электронов находится на s-, p-, d-, f-подуровнях? Напишите электронную и электронно-графическую формулу атома с порядковым номером 51.

185.Какое максимальное число электронов может находиться на уровнях К, L, M, N, O, P? Что такое квантовые числа?

186.Квантовые числа для электронов внешнего энергетического уровня атома некоторого элемента имеют

следующие значения: n = 5, l = 0, ml = 0, ms = + 1/2. Сколько свободных 4d-орбиталей содержит атом данного элемента. Напишите электронную и электронно-графическую формулу данного атома?

187.Напишите значения квантовых чисел l, ml, ms для электронов, главные квантовые числа которых рав-

ны 3 и 4.

188.Укажите порядковый номер элемента у которого:

а) заканчивается заполнение электронами 3d-орбитали; б) заканчивается заполнение электронами 4s-орбитали; в) начинается заполнение электронами 4p-орбитали; г) начинается заполнение электронами 4f-орбитали.

189.Сколько вакантных 3d-орбиталей имеют возбужденные атомы:

а) серы; б) хлора; в) фосфора; г) ванадия?

190.Укажите значения квантовых чисел n и l для внешних электронов в атомах элементов с порядковыми номерами 10, 15, 33.

191.Какое значение имеет:

а) орбитальное квантовое число для энергетических подуровней, емкость которых равна 10 и 14; б) главное квантовое число для энергетических уровней, емкость которых равна 32, 50, 72?

192.Учитывая емкость энергетических уровней, покажите сколько их содержит электронная оболочка атома из 18, 36, 54 и 86 электронов.

193.Сколько неспаренных электронов содержат атомы в невозбужденном состоянии:

194.Напишите электронные и электронно-графические формулы атомов элементов с порядковыми номерами 39 и 41. Сколько свободных d-орбиталей в атомах этих элементов.

195.Напишите электронные и электронно-графические формулы атомов элементов с порядковыми номерами 24 и 33, учитывая, что у первого происходит "провал" одного 4s-электрона на 3d-подуровень. Чему равен максимальный спин d-электронов у первого атома и p-электронов у атомов второго элемента?

196.Напишите электронные формулы атомов элементов:

197. Сколько электронов находится на энергетических уровнях, если главное квантовое число равно 2, 3 и

4?

198.Сколько электронов находится на: а) 4f- и 5d-подуровнях атома свинца; б) 5s- и 4d-подуровнях атома цезия;

в) 5d- и 4f-подуровнях атома вольфрама; г) 3p- и 3d-подуровнях атома кобальта; д) 3d- и 4s-подуровнях атома мышьяка?

199.Сколько нейтронов в ядрах атомов:

200. Какое максимальное валентное состояние могут проявлять:

201.Сколько свободных f-орбиталей содержат атомы элементов с порядковыми номерами 57, 68 и 82? Пользуясь правилом Хунда, распределите электроны по орбиталям.

202.Исходя из электронного строения атомов фтора и хлора объясните сходство и различие свойств этих элементов.

203.Пользуясь правилом Клечковского напишите электронные формулы атомов следующих элементов:

а) марганца; б) хрома; в) циркония; г) гафния.

204.Для атома кремния возможны два различных электронных состояния: 3s23p2 и 3s13p3. Как называются эти состояния?

205.Пользуясь правилом Хунда, распределите электроны по орбиталям, отвечающим невозбужденному состоянию атомов:

а) фосфора; б) углерода; в) марганца;

г) кислорода; д) железа.

206.Пользуясь правилом Хунда, распределите электроны по орбиталям, отвечающим возбужденному состоянию атомов:

а) бора; б) серы; в) хлора.

207.Атомы каких элементов имеют следующее строение внешнего и предвнешнего электронного уровня:

208. Атомы каких элементов имеют электронную конфигурацию:

209.Электронные конфигурации атомов углерода 1s22s12p3 и скандия 1s22s22p63s23p64s23d1. Какое состояние атомов (основное или возбужденное) они характеризуют?

210.В какой из приведенной электронной конфигурации нарушено правило Хунда?

↓↑ ↓↑

↓↑ 2p

2s

↓↑ ↑ ↑

↓↑ 2p

2s

2.2.ПЕРИОДИЧЕСКИЙ ЗАКОН И ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ЭЛЕМЕНТОВ Д.И. МЕНДЕЛЕЕВА

Пр и м е р 35. Какую высшую и низшую степень окисления проявляют мышьяк, селен и бром? Составьте формулы соединений данных элементов, отвечающих этим степеням окисления.

Решение. Высшую степень окисления элемента определяет номер группы периодической системы Д.И. Менделеева, в которой он находится. Низшая степень окисления определяется тем условным зарядом, который

приобретает атом при присоединении того количества электронов, которое необходимо для образования устойчивой восьми электронной оболочки (ns2np6).

Данные элементы находятся соответственно в главных подгруппах V, VI, VII-групп и имеют структуру внешнего энергетического уровня s2р3, s2p4, s2p5. Следовательно, степени окисления мышьяка, селена, брома в соединениях таковы:

П р и м е р 36. У какого из элементов четвертого периода марганца или брома сильнее выражены металлические свойства?

Решение. Электронные формулы данных элементов:

25Mn 1s22s22p63s23p64s23d5; 35Br 1s22s22p63s23p64s23d104p5.

Марганец – d-элемент VII-группы побочной подгруппы, а бром – p-элемент VII-группы главной подгруппы. На внешнем энергетическом уровне у атома марганца два электрона, а у атома брома – семь.

Атомы типичных металлов характеризуются наличием небольшого числа электронов на внешнем энергетическом уровне, а следовательно, тенденцией терять эти электроны. Они обладают только восстановительными свойствами и не образуют отрицательных ионов. Элементы, атомы которых на внешнем энергетическом уровне содержат более трех электронов, обладают определенным сродством к электрону, а следовательно, приобретают отрицательную степень окисления и образуют отрицательные ионы. Таким образом, марганец, как и все металлы, обладает только восстановительными свойствами, тогда как для брома, проявляющего слабые восстановительные свойства более свойственны окислительные функции. Следовательно, металлические свойства более выражены у марганца.

За д а ч и

211.Дайте современную формулировку периодического закона. Чем она отличается от той, которая была дана Д.И. Менделеевым?

212.Открытие каких трех элементов было триумфом периодического закона? Как точно совпали свойства этих элементов и их простейших соединений со свойствами, предсказанными Д.И. Менделеевым?

213.Покажите, как периодический закон иллюстрирует и подтверждает один из всеобщих законов развития природы – закон перехода количества в качество.

214.Как учение о строении атома объясняет периодичность в изменении свойств химических элементов?

215.Какой физический смысл имеет порядковый номер и почему химические свойства элемента в конечном счете определяются зарядом ядра его атома?

216.Объясните три случая (укажите их) отклонения от последовательности расположения элементов в периодической системе по возрастанию их атомных масс?

217.Какова структура периодической системы? Периоды, группы и подгруппы. Физический смысл номера периода и группы.

218.В каких случаях емкость заполнения энергетического уровня и число элементов в периоде:

а) совпадают; б) не совпадают? Объясните причину.

219.Значениям какого квантового числа отвечают номера периодов? Приведите определение периода, исходя из учения о строении атома?

220.Какие периоды периодической системы называют малыми, а какие большими? Чем определяется число элементов в каждом из них?

221.Укажите валентные энергетические подуровни в приведенных электронных формулах нейтральных

атомов:

222.Где в периодической системе находятся благородные газы? Почему раньше они составляли нулевую группу и как их называли?

223.Почему водород помещают в I и VII группу периодической системы? Какое обоснование можно дать тому и другому варианту?

224.Как изменяются свойства элементов главных подгрупп по периодам и группам? Что является причиной этих изменений?

225.Какое место в периодической системе занимают два элемента, один из которых характеризуется наибольшим значением ионизационного потенциала и электроотрицательности, а другой – наименьшими значениями этих величин?

226.В атомах каких элементов осуществляется так называемый "провал" электронов? Объясните причину этого эффекта.

227.При нормальных условиях только 11 химических элементов в свободном виде являются газами и 2 элемента в свободном виде жидкостями. Укажите символы и названия этих элементов.

228.Конфигурация валентных электронов в атомах двух элементов выражается формулами:

а) 3s23p2 и 4s23d2;

б) 4s23d3 и 4s23d104p3.

Вкаких периодах и группах находятся эти элементы? Должны ли они отличаться по своим свойствам, имея одинаковое число валентных электронов?

229.Зная число элементов в каждом периоде, определите место элемента в периодической системе и основные химические свойства по порядковому номеру: 35, 42 и 56.

230.Вопреки собственной формулировке Д.И. Менделеев поставил в системе теллур перед иодом, а кобальт перед никелем. Объясните это.

231.Чем можно объяснить общую тенденцию – уменьшение атомных радиусов с увеличением порядкового номера в периоде и увеличение атомных радиусов с увеличением порядкового номера в группе?

232.На каком основании хром и сера находятся в одной группе периодической системы? Почему их помещают в разных подгруппах?

233.На каком основании фосфор и ванадий находятся в одной группе периодической системы? Почему их помещают в разных подгруппах?

234.Какой ряд элементов расположен по мере уменьшения их атомных радиусов:

235.В чем сходство и различие атомов:

а) F и Cl; б) N и P?

236.Как изменяется способность металлов отдавать электроны в ряду: Mg → Ca → Sr → Ba?

237.В ядре изотопа элемента 104Х содержится 58 нейтронов. Каков порядковый номер этого элемента?

238.Чему равно число нейтронов в ядре изотопа 122Sn?

239.Распределите электроны по энергетическим уровням для атома брома.

240.Сколько полностью заполненных энергетических уровней содержит ион Na+?

2.3. ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ. РАДИОАКТИВНОСТЬ

Радиоактивностью называют самопроизвольное превращение неустойчивого изотопа одного химического элемента в изотопдругого элемента, сопровождающееся испусканием элементарных частиц или ядер.

Периодом полураспада (τ1/2) называется время, за которое распадается половина исходного количества радиоактивного изотопа. В течение первого периода полураспада распадается 1/2 часть от первоначального числа ядер изотопа N0 и остается ½ N0 = 2–1 N0 ядер. В течение второго периода распадается половина от 2–1 N0 и остается ½ 2–1 N0 = 22 N0 ядер и т.д. В конце n-го периода полураспада остается 2–n N0 ядер исходного изотопа. Аналогичное выражение справедливо для массы (m) не распавшегося изотопа: m = 2–n m0, где m0 – исходная масса изотопа.

П р и м е р 37. Период полураспада некоторого радиоактивного изотопа равен 3 часам. Какая масса его останется не распавшейся через 18 часов, если первоначальная масса изотопа составляла 200 г?

Решение. За время хранения радиоактивного изотопа прошло 18/3 = 6 периодов полураспада (n = 6). Отсюда масса не распавшегося изотопа, оставшаяся после 18 часов хранения, равна

m= 2–n m0 = 2–6 200 = 200/64 = 3,125 г.

Косновным видам радиоактивного распада относятся α-распад, β–- и β+-распад, электронный захват и

спонтанное деление. Часто эти виды радиоактивного распада сопровождаются испусканием γ-лучей, т.е. жесткого (с малой длиной волны) электромагнитного излучения.

α-распад. α-частица – ядро атома гелия 42 Не. При испускании α-частицы ядро теряет два протона и два

нейтрона, следовательно, заряд ядра уменьшается на 2, а массовое число на 4. Дочернее ядро принадлежит элементу, смещенному в периодической системе на две клетки влево по отношению к материнскому элементу:

ZA Э → 42 α + ZA−−42 Э .

β–-распад. β–-частица – электрон. β–-распаду предшествует процесс, протекающий в ядре:

1n → −0 e− + 1р. 0 1 1

Таким образом, при испускании электрона заряд ядра увеличивается на единицу, а массовое число не изменяется. Дочернее ядро – изобар исходного – принадлежит элементу, смещенному на одну клетку вправо в периодической системе от места материнского элемента:

A Э → −0 e− + +A Э .

Z 1 Z 1

Позитронный распад. β+-частица – позитрон (е+) – обладает массой электрона и зарядом, равным заряду электрона, но противоположным по знаку. Позитронному распаду предшествует ядерный процесс:

11р → 01n + 01е+ .

Число протонов в ядре при позитронном распаде уменьшается на единицу, а массовое число не изменяется. Образующееся ядро – изобар исходного ядра – принадлежит элементу, смещенному от материнского элемента на одну клетку влево в периодической системе:

A Э → 0 е− + −A Э.

Z 1 Z 1

Электронный захват. При захвате ядром электрона с ближайшего к ядру К-слоя в ядре уменьшается число протонов вследствие протекания процесса:

1р + −0 e− = 1n . 1 1 0

Заряд ядра уменьшается на единицу, а массовое число остается прежним. Дочернее ядро принадлежит элементу (изобару исходного элемента), смещенному по отношению к материнскому на одну клетку влево в периодической системе элементов:

A Э + −0 e → −A Э + hν.

Z 1 Z 1

При переходе периферийных электронов на освободившееся в К-слое место выделяется энергия в виде квантарентгеновского излучения.

П р и м е р 38. Закончите уравнения реакции радиоактивного распада:

Уравнения ядерных реакций (в том числе и реакций радиоактивного распада) должны удовлетворять прави-

лу равенства сумм индексов:

а) сумма массовых чисел частиц, вступающих в реакцию, равна сумме массовых чисел частиц-продуктов реакции; при этом массы электронов, позитронов и фотонов не учитываются;

б) суммы зарядов частиц, вступающих в реакцию и частиц-продуктов реакции, равны между собой.

П р и м е р 39. Изотоп углерода 11C образуется при бомбардировке протонами ядер атомов 14N. Составьте уравнение этой ядерной реакции и напишите его в сокращенной форме.

Решение. При ядерных реакциях происходит изменение состава ядер атомов химических элементов. С их помощью можно из атомов одних элементов получить атомы других элементов. Превращения атомных ядер записывают в виде уравнений ядерных реакций. При этом сумма массовых чисел и алгебраические суммы зарядов частиц в левой и правой частях равенства должны быть равны

147 N + 11H → 116C + 42He .

Сокращенная форма записи: 14N(p, α)11С. В скобках на первом месте пишут бомбардирующую частицу, а на втором, через запятую – частицу, образующуюся при данном процессе. В сокращенных уравнениях частицы

42 He, 11H, 21D, 01n обозначают соответственно α, p, d, n.

За д а ч и

241.Какие реакции называются ядерными? Чем они отличаются от химических? Кем и когда была впервые осуществлена ядерная реакция?

242.Природный водород состоит из двух изотопов – протия и дейтерия с массовыми долями 99,98 % и 0,02 %, соответственно. Вычислите атомную массу водорода.

243.Определите атомную массу кислорода, состоящего из изотопов: 6O, 17O, 18O с массовыми долями

99,76 %, 0,04 %, 0,20 %, соответственно.

244.Назовите три изотопа водорода. Укажите состав их ядер. Что такое тяжелая вода? Как она получается

икаковы ее свойства?

245.В чем проявляется ограниченность закона сохранения массы? Какой закон применим без нарушений к ядерным реакциям?

246.Природный кремний состоит из трех изотопов: 28Si, 29, 30Si с массовыми долями процентов 0,923; 0,047; 0,030, соответственно. Вычислите атомную массу природного кремния.

247.Природный хлор состоит из двух изотопов: 35Cl и 37Cl. Относительная атомная масса хлора равна 35,5. Определите содержание изотопов хлора в массовых долях процента.

248.Определите атомную массу бора, состоящего из изотопов 10B и 11B c массовыми долями 19,6 % и 80,4 %, соответственно.

249.Что такое изотопы и изобары? Чем объясняется, что у большинства элементов атомные массы выражаются дробными числами?

250.Вычислите массовые доли изотопов 79Br и 81Br в броме, атомная масса которого равна 79,12.

251.Природный неон состоит из изотопов: 20Ne и 22Ne c массовыми долями 90 % и 10 %, соответственно. Вычислите атомную массу неона.

252.При бомбардировке ядер атомов бора 105 В нейтронами был получен изотоп лития 73 Li . Определите промежуточное ядро и выброшенную частицу. Напишите уравнение реакции.

253.В результате бомбардировки изотопа неона 1021 Ne некоторыми частицами образуется фтор и α-

частица. Определите бомбардирующую частицу.

254.При действии α-частиц на 24Mg образуется неустойчивый изотоп другого элемента и электрон. Составьте уравнение этой ядерной реакции и напишите ее в сокращенной форме.

255.Исходя из сокращенных уравнений ядерных реакций напишите их полные уравнения:

а) 2963 Cu (p, n) 3063 Zn ; б) 4298 Mo(n, e_ ) 9943Tc ; в) 27Al (p, α) 24Mg; г) 59Co (n, α) 56Mn; д) 253Es (α, n) 256Md; е) 242Сm (α, 2n) 244Сf.

256. При бомбардировке протонами ядер:

а) изотопа 1021 Ne образуются α-частицы;

б) изотопа 2963 Cu – нейтроны. Какие изотопы и каких элементов при этом образовались?

257.Сколько α-частиц теряет ядро атома радона, если в результате образуется изотоп свинца 21432 Pb ?

258.Какие элементы образуются при α-распаде ядер атомов: 115 B ; 1428Si ; 21484 Po ?

259.Какие элементы образуются при β--распаде ядер атомов: 23490Th ; 21482 Pb ; 21083 Bi ?

260. Радиоактивный йод 131I имеет период полураспада, равный 8 дням. Если взять 100 мг этого изотопа, то сколько его останется через 16 дней.

3. ХИМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ

Описание химической связи в любой молекуле есть по существу описание распределения в ней электронной плотности. Основным типом химической связи является ковалентная.

Ковалентная связь – химическая связь между двумя атомами, осуществляемая общей для этих атомов парой электронов, перекрыванием электронных облаков взаимодействующих атомов.

В зависимости от природы взаимодействующих атомов электронная пара, область максимального перекрывания электронных облаков может одинаково принадлежать взаимодействующим частицам или смещаться в ту или другую сторону.

Для оценки способности атома данного элемента смещать электронную плотность, осуществляющую связь, пользуются значением относительной электроотрицательности (χ). Чем больше электроотрицательность атома, тем сильнее притягивает он обобществленные электроны. Иными словами, при образовании ковалентной связи между двумя атомами разных элементов общее электронное облако смещается к более электроотрицательному атому и в тем большей степени, чем больше разность электроотрицательностей (∆χ) взаимодействующих атомов. Поэтому с ростом ∆χ степень ионности связи возрастает.

Значения электроотрицательности атомов некоторых элементов приведены в табл. 2.

Пр и м е р 40. Вычислите разность относительных электроотрицательностей атомов для связей H-O и O-

Эв соединениях Э(OH)2, где Э – Mg, Сa или Sr, и определите:

а) какая из связей H-O или O-Э характеризуется в каждой молекуле большей степенью ионности; б) каков характер диссоциации этих молекул в водном растворе?

Решение. По данным табл. 2 вычисляем разность электроотрицательностей для связей О-Э:

∆χMg-O = 3,5 – 1,2 = 2,3; ∆χCa-O = 3,5 – 1,0 = 2,5; ∆χSr-O = 3,5 – 1,0 = 2,5.

Разность электроотрицательностей для связи H-О составляет 1,4. Таким образом:

а) во всех рассмотренных молекулах связь Э-О более полярна, т.е. характеризуется большей степенью ионности;

б) диссоциация на ионы в водных растворах будет осуществляться по наиболее ионной связи в соответствии со схемой:

Э(OH)2 = Э2+ + 2OH– .

Следовательно, все рассматриваемые соединения будут диссоциировать по типу гидроксидов.

При образовании полярной ковалентной связи происходит смещение общего электронного облака от менее к более электроотрицательному атому. В результате один из атомов приобретает избыточный отрицательный заряд, а другой – такой же по абсолютной величине избыточный положительный заряд. Систему из двух равных по абсолютной величине и противоположных по знаку зарядов, расположенных на определенном расстоянии друг от друга, называют электрическим диполем.

Напряженность поля, создаваемая диполем, пропорциональна электрическому дипольному моменту диполя, представляющему собой произведение абсолютного значения заряда электрона q (1,60 10–19 Кл) на расстояние l между центрами положительного и отрицательного зарядов в диполе (длиной диполя):

µ = ql.

Величина µ молекулы служит количественной мерой ее полярности и измеряется в Дебаях (D): 1D = 3,33 10–30 Кл м.

П р и м е р 41. Длина диполя молекулы НСl равна 0,22 10–8 см. Вычислите электрический момент дипо-

ля.

Решение.

q = 1,60 10–19 Кл; l = 2,2 10–11 м;

µ= ql = 1,60 10–19 2,2 10–11 = 3,52 10–30 Кл м =

=3,52 10–30/(3,33 10–30) = 1,06 D.

Пр и м е р 42. Какую валентность, обусловленную неспаренными электронами (спинвалентность), мо-

жет проявлять фосфор в нормальном и возбужденном (*) состояниях?

Решение. Распределение электронов внешнего энергетического уровня фосфора 3s23p3 (учитывая правило Хунда, 3s2 3px 3py 3pz) по квантовым ячейкам имеет вид

Атомы фосфора имеют свободные d-орбитали, поэтому возможен переход одного 3s-электрона в 3dсостояние:

Отсюда валентность (спинвалентность) фосфора в нормальном состоянии равна трем, а в возбужденном – пяти.

П р и м е р 43. Что такое гибридизация валентных орбиталей? Какое строение имеют молекулы типа AВn , если связь в них образуется за счет sp-, sp2-, sp3-гибридных орбиталей атома А?

Решение. Теория валентных связей (ВС) предполагает участие в образовании ковалентных связей не только "чистых" АО, но и "смешанных", так называемых гибридных, АО. При гибридизации первоначальная форма и энергия орбиталей (электронных облаков) взаимно изменяются и образуются орбитали (облака) новой одинаковой формы и одинаковой энергии. Число гибридных орбиталей (q) равно числу исходных. Ответ на поставленный вопрос отражен в табл. 3.

3. Гибридизация орбиталей и пространственная конфигурация молекул

Если в гибридизации участвуют одна s- и одна p-орбитали (sp-гибридизация), то образуются две равноценные sp-орбитали; из одной s- и двух p-орбиталей (sp2-гибридизация) образуются три sp2-орбитали и т.д.

Гибридные облака, соответствующие данному типу гибридизации, располагаются в атоме так, чтобы взаимодействие между электронами было минимальным, т.е. как можно дальше друг от друга. Поэтому при spгибридизации электронные облака ориентируются в противоположных направлениях, при sp2-гибридизации – в направлениях, лежащих в одной плоскости и составляющих друг с другом углы в 120° (т.е. в направлениях к вершинам правильного треугольника), при sp3-гибридизации – к вершинам тетраэдра (угол между этими направлениями составляет 109°28'.

За д а ч и

261.Какую химическую связь называют ковалентной? Опишите ее основные свойства.